桩承台不同入水深度对局部冲刷影响的试验研究

卢中一，高正荣

（南京水利科学研究院，交通部港口航道泥沙工程重点实验室，江苏 南京210029）

桩承台桥墩基础是常见的桥基形式之一。上世纪80年代以来，桩承台桥基得到广泛应用，桩承台在原有的结构形式上得到了拓展[1]。新型的桩承台基础尽管承台平面形状各不相同，但有一个共同点：均以承台和桩群两部分共同为迎流主体，而不像以前的桩承台或偏于承台、或偏于桩群为迎流主体。目前的桩承台建设具有上部承台尺度向大型、特大型发展，底部桩群向规模化、深度化发展的趋势，随之以前不甚明显的影响因素开始凸显，比如桥基的上部承台在水中不同位置对局部冲刷的影响，即当承台尺度一定时，承台在水中引起最大、最小局部冲刷的位置（即承台高程）如何确定（见图1）；在确定水域中，既要满足上部承载要求、又使底部冲刷较小的承台厚度如何确定以及底部群桩的排列方式等，这类问题对建设部门是至关重要的。目前有关这类问题的研究成果偏少，因此有必要对生产实际迫切需要解决的问题进行试验和探索。

图1 桩承台基础在水中不同位置示意图

1 桩承台基础局部冲刷的研究现状

迄今为止，国内对桩承台基础的研究按时间顺序大致可分为两个阶段、两种类型：

1）上世纪80年代之前（群桩、墩柱型）：以交通部公路工程水文勘测设计规范（以下简称规范）中编号9和编号10的桩承台类型为代表，这类墩基的涉水主体有两个特点：一种是以群桩为主（如编号9），即桩承台涉水部分主要为承台底部的桩群，承台在水面之上，该类基础所发生的局部冲刷主要由桩群引起。另一种是以承台以上的墩柱为主（如编号10），真正由桩承台引起的冲刷只占其中的一部分，距床面较近时这种墩基接近实体墩基。

2）上世纪80年代以后（组合墩型）：有关部门对在实际中采用的桩承台新墩型进行了延伸研究，以规范中编号11和编号12的桩承台类型为代表[2]，这类桩承台主要呈现组合墩的特点：通常由桥墩柱+承台（围堰）+桩群三部分组成。试验中得出了2种特征桩承台的墩型系数和对应的桩承台基础局部冲深计算式，并运用大直径围堰群桩墩局部冲深计算式对南京长江二桥进行了局部冲深计算，并用局部冲刷比尺模型试验结果对墩型系数计算值进行了验证，使桩承台的形式和计算得到了扩展。

然而，桩承台基础结构形式在发展、出新，有关的涉水研究方面也是一个需要经常完善、不断深化的过程。迄今为止的桩承台基础研究中还存在着许多不足：首先表现在对特大密集型桩承台的局部冲刷研究偏少；其次表现在以前对桩承台冲刷的研究集中在底部桩群量少、细径方面；第三是缺失对影响桩承台局部冲刷因素的研究，比如在承台厚度、底部布桩方式和承台入水深度尤其是承台顶面距水面距离对冲刷影响的研究方面。严格来说，以前的桩承台基础只是在某些方面与桩群有关的组合型墩基，与真正的桩承台结构相差较远，以交通运输部2002年颁布的公路工程水文勘测设计规范中4种桩承台墩基为例：

编号9的桩承台：属高桩型承台墩基。涉水主体为桩群，承台在水面以上，局部冲刷主要由群桩所引起。

编号10的桩承台：属组合型承台墩基。由墩柱+承台+桩群三部分组成。涉水主体为墩柱和承台，这两部分距床面越近越接近于实体墩基。

编号11的桩承台：属大直径围堰型群桩墩基。由桥墩+圆柱围堰+桩群三部分组成。涉水主体为大直径的围堰，桩群位于床面以下，水流对桩群作用有限。

编号12的桩承台：属组合型承台墩基。由墩柱+工字形承台+大直径基桩三部分组成。涉水主体为承台和基桩，但基桩数量少（只有前后4根），与群桩定义相差较远。

上世纪80年代末以来，苏通长江大桥、南京长江三桥、四桥、杭州湾跨海大桥以及青岛跨海大桥等一批国家级重点大桥采用了以承台和群桩为共同迎流主体的桩承台墩基，结构形式得到新的拓展，因此有必要就生产实际涌现的新型墩型进行进一步研究和探索。

2 桩承台类型和研究内容

2.1 桩承台类型

本次研究是对规范编号12桩承台类型的延伸，与该类桩承台相同之处是承台和桩群共为涉水主体，不同之处是底部为大型密集型群桩，而不是少量的几根桩柱。桩承台基础底部桩群的排列方式分为梅花形和普通的规则形，外形又分成方形和矩形两种。为使试验数据具有针对性，梅花形桩承台采用长江近河口段的苏通长江大桥的桥墩基础。该桥基外形呈八边形哑铃状，承台底部桩群呈梅花形布设。上部承台高6m，迎水宽48.1m，纵向长113.8m。试验时将哑铃形桩承台（见图2）分成方形桩承台（1个承台，迎水9排，纵向梅花形布桩15列共64根桩）和矩形桩承台（2个承台，迎水9排，纵向梅花形布桩31列共131根桩），桩径均为2.8m。

图2 桩承台（底部梅花形桩群）结构示意图

为使试验具有可比性和适用性，群桩梅花形排列与规则排列的桩承台的冲刷试验在以下几方面相同：1）承台迎水宽度相同；2）承台入水高度相同；3）桩承台纵向长度相同；4）承台底部桩群迎水排数相同；5）桩径相等；6）总桩数接近，并采用相同的试验条件（规则桩群桩承台示意图见图3）。

图3 桩承台（底部规则形桩群）结构示意图

2.2 研究内容

试验时，按底部桩群排列方式分为梅花形和规则形桩群两种类型的桩承台，每类桩承台又分为方形和矩形两种外形。其中方形桩承台宽、长均为48m；矩形桩承台迎水面宽48m，顺水流方向的纵向长114m。以hφ为承台底部与河床面之间的距离，h为水深，承台底在水中的位置（即高程）从河床往水面依次分为hφ/h=0（承台底与床面平）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8和 1.0（承台底与水面平）8种不同高度。由于试验组次问题，本次试验暂时不考虑承台自身厚度对局部冲刷的影响，只选取承台厚/水深=0.3的情况进行试验。

3 模型概况和试验条件

3.1 模型概况

试验在宽水槽内进行，水槽尺度为33m（长）×5m（宽），试验段有效范围为10m（长）×5m（宽）。水槽上游采用矩形薄壁量水堰调控流量，下游采用横向推拉式尾门微调水位，在不受桩柱阻水影响的桩柱上游布设直读式流速仪监控行近流速（垂线平均）。试验时，将桩承台模型置于水槽中部，水流动力采用恒定流，调控好水位和行近流速后即进行试验，同时监测桥基附近地形变化，直到相邻几次监测显示变化不明显时，说明局部冲刷达到基本平衡，试验结束。多次试验显示，桥基从开始冲刷到基本平衡，历时2.5～3 h。为便于比较，每组试验冲刷时间一律取3 h。冲刷后的地形采用地形界面仪和测针相结合的方法测量，并用摄影辅助反映冲刷形态。

试验采用非原型天然沙作为模型沙，其中值粒径 d50=0.22mm，γs=2.65 t/m3。

3.2 试验条件

试验采用的水流条件见表1。

表1 试验条件

4 梅花桩承台的局部冲刷特征

由于承台与底部桩群共同构成涉水主体，因此桩承台的局部冲刷既具有桩群冲刷的特征，也具有有别于桩群冲刷的特征，其不同程度取决于涉水主体是上部承台还是底部群桩。

为探讨承台厚度一定时，淹没水中的承台底部距河床面高度（即hφ）不同时对局部冲刷的影响，承台厚度为6m，hφ分为0m（承台底与床面平）、2m、4m、6m、8m、12m、16m和20m（承台底与水面平）8种高度，试验水深为20m，墩前行近流速为3.0m/s。试验采用的桩承台分为方形和矩形两种，承台下桩群为梅花形排列。

4.1 方形承台的纵向特征

试验时将梅花形桩群桩承台分为方形（1个承台，迎水面横向布设9排，顺水方向纵向梅花形布设15列共64根φ=2.8m桩）和矩形（2个承台，迎水面横向布设9排，顺水方向纵向梅花形布设31列共131根φ=2.8m桩）两种，即在承台迎水宽度相同、顺水流方向上长度不同情况下研究承台在水中不同位置时对桩承台局部冲刷的影响。

根据试验得出方形承台的纵向最大冲深，逐一列出承台在水中不同位置时发生在桩群桩间床面的冲刷特征（见图4）。

图4 承台入水不同位置时的纵向局部冲刷过程线（方形承台，梅花桩）

承台底与河床面平齐 （即hφ=0）时，承台顶面距水面14m，最大冲刷发生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列为冲深明显增大区；第4列～第9列为冲深明显减小区；第10列～第15列为微冲区。

承台底距河床面2m （即hφ=0.1）时，承台顶面距水面12m，最大冲刷发生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列为冲深明显增大区；第3列～第9列为冲深明显减小区；第10列～第15列为微冲区。

承台底距河床面4m（即hφ=0.2）时，承台顶面距水面10m，最大冲刷发生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列为冲深明显增大区；第4列～第12列为冲深明显减小区；第13列～第15列呈微冲。

承台底距河床面6m（即hφ=0.3）时，承台顶面距水面8m，最大冲刷发生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列为冲深明显增大区；第3列～第15列均为冲深明显减小区。

承台底距河床面8m（即hφ=0.4）时，承台顶面距水面6m，最大冲刷发生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列为冲深明显增大区；第3列～第15列均为冲深明显减小区。

承台底距河床面12m（即hφ=0.6）时，承台顶面距水面2m，最大冲刷发生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列为冲深明显增大区；第4列～第15列均为冲深明显减小区。

承台底距河床面16m（即hφ=0.8）时，此时承台顶面在水面以上2m，最大冲刷发生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列为冲深明显增大区；第4列～第15列均为冲深明显减小区。

承台底距河床面20m（即hφ=1.0）时，此时承台底面与水面平，最大冲刷发生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列为冲深明显增大区；第4列～第15列均为冲深明显减小区。

试验显示：明显冲深区位于承台底部的桩群间，最深点通常位于迎水面桩群的第2列或第3列，而且基本不随承台底面距床面高度（即高程）的变化作前移或延后。

4.2 矩形承台的纵向特征

其他尺度不变，改变桩承台的顺水纵向长度（增加纵向列数和总桩数），成为矩形桩承台。试验显示：在承台底距河床面高度相同情况下，除了冲深量值有所不同外，矩形承台的最深点位置仍维持在迎水面的第2列～第3列，也就是说，改变桩承台纵向长度，局部冲深量值会发生变化，而最深点位置不会改变，前述方形桩承台在水中不同位置时的冲刷特征在矩形桩承台中仍然存在。由于长度增加中间用连接梁连接前后两承台，矩形桩承台又具有新的冲刷特征：在矩形桩承台纵向31列冲刷中，迎水面第1列～第3列为冲深渐大区；第2列～第3列为最深区；第4列～第16列为明显减冲区；第16列～第17列之间是两承台的连接梁位置，底部布桩较少，成为群桩间冲刷由冲转淤的转折点；第17列～第21列为由冲变淤区；第22列～第29列为由淤变冲区；第28列～第29列为二次冲深区；第30列～第31列为微冲区。如把桩承台纵向长度定义为“L”，那么：0﹤L﹤0.1L为冲深渐大区；0.1L附近为桩群内最大冲深点；0.1L﹤L﹤0.5L为明显减冲区；0.5L～0.7L为由冲变淤区；0.7L﹤L﹤0.9L为由淤变冲区；0.9L附近为背水面二次冲深区；L﹥0.9L为微冲区，矩形桩承台顺水流方向的纵向冲刷呈横“S”状（见图5）。

图5 承台入水不同位置时的纵向局部冲刷过程线（矩形承台，梅花桩）

由此可见，桩承台的局部冲刷除了与承台迎水宽度和底部群桩布置方式及数量多寡有关外，还取决于淹没在水中的承台厚度以及承台底部与河床面的距离。

5 规则桩承台的局部冲刷特征

梅花形桩群桩承台的局部冲刷反映的是特例情况下的冲刷特征，要使试验成果具有普遍性，必须对通常的规则桩群桩承台的冲刷进行试验并加以对比，找出其共性和特点，才能对此类桩承台的局部冲刷有个较深入的了解。因此在同样条件下对规则桩群桩承台进行了试验。

5.1 承台下群桩间横向冲刷特征

按照梅花桩群桩承台的迎水宽度、纵向长度和总桩数，将承台下桩群布置成普通的规则排列，依桩承台纵向长度分为正方形桩承台（迎水面9排，纵向7列，总计63根桩）和矩形桩承台（迎水面9排，纵向14列，总计126根桩）。试验显示：规则桩群桩承台的最大冲深发生在迎水面的前3列，以第1列居多；方形桩承台与矩形桩承台横向冲深形态接近，基本不受纵向长度的影响。处于水下相对同一位置桩承台的横向间最大冲深与最小冲深的变幅较小，一般在20%以内。最大冲深点通常位于迎水面前3列的群桩内侧桩间（不一定位于纵轴线上），在此范围内变动。横向冲刷深度随桩群端部与河床面距离的趋远而加大，当承台逐步出水后，横向冲深又有所减小。

5.2 承台下群桩间纵向冲刷特征

方形桩承台的纵向冲刷特征表现为：纵向冲刷呈前深（迎水面）后浅（背水面）的“勺”状形态，最大冲刷区域位于迎水面前3列，承台底中前部至中后部为局部冲刷由渐深转变为渐浅的过渡区，桩群后部为冲刷相对稳定的浅冲区。随着承台底与河床面距离的加大，桩群间的最大冲刷深度逐渐增加。在承台顶面即将出水时（hφ/h=0.6）桩承台的局部冲刷达到最大；承台部分出水后，局部冲刷有所减弱；承台全部出水后，类似单纯的桩群冲刷。当hφ/h≤0.2时，最大冲刷区位于桩群迎水面的第1列桩间；当hφ/h﹥0.2时，最大冲刷区后移且稳定在桩群迎水面的第2列桩间附近区域。桩群背水面最小冲深一般在迎水面最大冲深的29.5%～37.5%之间。方形桩承台的纵向冲刷见图6。

图6 承台入水不同位置时的纵向局部冲刷过程线（方形承台，规则桩）

矩形桩承台冲刷具有与方形桩承台相似的冲刷特征，不同在于由于纵向长度的延长，桩群阻力加大，使得矩形桩承台背水面浅冲区的冲刷强度进一步衰减，冲深幅度明显变小，甚至在承台底桩群中部附近形成局部淤积堆高，并和梅花形桩群一样，具有在迎水面冲深越大，桩群中部冲深越小甚至堆高的逆反冲淤形态；在桩承台的背水面附近，由于失去承台和桩群的拦阻，承台外侧涡流具有内拢趋聚性，使得桩承台中后部的冲刷力度略有增大，桩间发生二次冲深且基本稳定在迎水面最大冲深的30%～40%之间。矩形桩承台的纵向冲刷见图7。

图7 承台入水不同位置时的纵向局部冲刷过程线（矩形承台，规则桩）

6 承台底距床面不同高度对局部冲刷的影响

桩承台呈方形时：在承台底距床面hφ=0.1 h时，最大冲深和纵向冲深最小；其次为承台底与床面平齐hφ=0时的情况；当承台底部与床面位置处于0.1 h﹤hφ﹤0.6 hφ区间时，最大冲深和纵向冲深逐渐加大，在hφ=0.6 h时最大冲深和纵向冲深达到最大；当0.6 h﹤hφ=1.0 h时，冲深增幅由大转小，当hφ=1.0 h（即承台底与水面平齐）时，其冲深幅度与hφ＝0.4 h时情况相当。

值得注意的是：当承台底距河床面12m（即hφ=0.6，承台顶面距水面2m）时，底部河床的冲深达到最大；当承台底距河床面2m （即hφ=0.1，承台顶面距水面12m）时，底部河床的冲深最小；承台底与床面平齐时的冲深除了大于承台底距河床面2m时的情况，均小于承台底距床面其它高度的情况。桩承台的这种冲刷特征与承台在水中的位置以及流速垂向分布有关：承台底与床面平齐时，桩群在泥面以下，高6m的承台台体相当于一个实体墩，水流直接冲击承台边壁。当承台底距河床面2m时，承台底下2m的群桩空间可以过流，加上近底流速较小，因此冲深最浅；而承台底距河床面12m，即hφ=0.6时，承台接近水流垂向分布的最大流速区，冲击承台边壁下趋的水流淘刷力较大导致冲深较明显。当承台部分出水后（如承台底距河床面16m，即hφ=0.8时），因迎流面积减少，冲深由大转小；当承台底面与水面平时，整个承台全部处于水面以上，此时的冲刷类似由群桩引起的局部冲刷。受形状所限，方形桩承台基础顺水流方向的纵向冲刷呈前深后浅的“勺”状形态。

矩形桩承台的冲刷与方形桩承台的情况相近，有所不同表现在：hφ﹤0.3 h时冲深均小于hφ＝0时的冲刷，这可能有两个原因引起：一是垂向近底水流本身低缓，群桩间能过流更使淘刷力降低；二是受纵向长度延长总桩数增加使得阻力增加流速减缓的影响。0.3 h水层向上，随着垂向流速的逐渐增大，冲深均大于hφ＝0时的冲刷。矩形桩承台的纵向冲刷由方形桩承台的“勺”形变为横“S”形，且从承台中部起向背水面区域呈现承台前中部冲深越大、后中部淤高越大、冲深越浅的逆反形态。

矩形桩承台在不同hφ情况下的冲刷特征为：hφ＝0.1时，承台底部桩间的最大冲深和纵向冲深最小；hφ﹤0.3 h时的冲刷小于hφ＝0时的情况；当0.3 h﹤hφ﹤0.6 h时，最大冲深和纵向冲深逐渐加大，hφ＝0.6h时最大冲深和纵向冲深仍维持最大。

方形、矩形桩承台底部距河床不同高度时的最大冲深见图8和图9。

图8 承台底距河床不同高度时的最大冲深（梅花桩承台）

图9 承台底距河床不同高度时的最大冲深（规则桩承台）

由此可见，桩承台基础在迎水宽度、横向布桩排数一定的情况下，承台底部距河床面高度（即hφ）以及纵向长度（L）的不同只改变最大冲深量值的大小，不改变局部冲深的分布特征：即hφ＝0.1 h时，桩承台的最大冲深和纵向冲深最小；当0.1 h﹤hφ﹤0.6 h时，局部冲深由小逐渐加大，当hφ＝0.6 h时最大冲深和纵向冲深达到最大；当0.6 h﹤hφ＝1.0 h时，冲深增幅由大变小。

7 结语

桩承台的局部冲刷程度与水中的承台位置（即高程）有关，同时又与在承台的自身厚度有关[3]。研究表明：承台厚度相同时，梅花形和规则桩群桩承台均在承台底距河床面hφ=0.6时局部冲深达到最大；发生最小冲深的水中位置则与桩承台底部的布桩方式有关：梅花形布桩时，承台底距河床面0.1 h时冲深最小；规则布桩时，承台底与床面齐平（即hφ=0）冲深最小，在确定承台高程时应重视桩承台位置对局部冲刷的影响。需要说明的是，本次试验仅仅梅花形和规则群桩桩承台进行了研究，未能顾及其他布桩方式的桩承台情况，而且没有考虑流速变化对其的影响，所以研究仅是初步的，后续继续开展对其他布桩方式的桩承台、承台厚度、底部桩群打设顺序等多种因素对局部冲刷影响的研究，以期对大型桩承台的局部冲刷有个比较深入、完整的认识。

[1] 铁道部科学研究院墩形系数专题组.桥墩局部冲刷墩形系数[J].铁道工程学报，1984（2）：103-107.

[2] 齐梅兰，王国华.新型桥墩局部冲刷研究[J].中国铁道科学，2002，23（3）：99-103.

[3] 高正荣，黄建维，卢中一.长江河口跨江大桥桥墩局部冲刷及防护研究[M].北京：海洋出版社，2005.